一種基于壓電諧振原理的石英溫度傳感器

一種基于壓電諧振原理的石英溫度傳感器

在載人宇宙系統(tǒng)中，由于載人宇宙中有工程師，他們生活和工作，因此對(duì)室內(nèi)溫度和載人物體溫度的監(jiān)測(cè)非常重要。首先,在載人航天環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)中,對(duì)航天器艙內(nèi)環(huán)境溫度要有嚴(yán)格的控制要求,并且隨著長(zhǎng)期載人航天的發(fā)展,對(duì)座艙溫度的高精度測(cè)量及其微小動(dòng)態(tài)變化的監(jiān)測(cè)顯得越來(lái)越重要。高精度溫度監(jiān)測(cè)不僅可提高載人航天器的艙內(nèi)環(huán)境控制精度和準(zhǔn)確度,還可提高環(huán)控生保系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。其次,在航天醫(yī)學(xué)監(jiān)督與醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)中,航天員體溫測(cè)量是最基本的項(xiàng)目之一,是航天員安全監(jiān)測(cè)的重要生理指標(biāo)。目前航天員體溫測(cè)量采用的是模擬式熱敏溫度傳感器和配備了常用的水銀體溫計(jì),前者不僅精度低、功耗大、抗輻射和電磁干擾能力差、不便于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,而且對(duì)航天員在疾病、精神緊張和情緒激動(dòng)等異常狀況時(shí)的微小體溫變化更無(wú)能為力;后者攜帶、使用和讀取數(shù)據(jù)都不方便,而且易破碎、有汞中毒危險(xiǎn)等不安全因素的缺點(diǎn),僅用做航天員體溫測(cè)量的備用器件。因此,在載人航天系統(tǒng)中,尤其長(zhǎng)期載人航天的溫度測(cè)量,采用高穩(wěn)定性、高精度、低功耗、抗輻射和電磁干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字式石英溫度傳感器可在復(fù)雜惡劣的特殊空間環(huán)境中,準(zhǔn)確、快速、方便地測(cè)量和傳輸各項(xiàng)溫度指標(biāo)信號(hào)。目前,我國(guó)對(duì)石英晶體溫度傳感器的研究尚處在初級(jí)階段,實(shí)際中采用的大多是國(guó)外研制的切型,近幾年才研制出高精度的石英晶體溫度傳感器。但由于設(shè)計(jì)方法落后、采用的切型復(fù)雜和受?chē)?guó)內(nèi)石英晶體加工工藝的限制,影響石英晶體溫度傳感器在我國(guó)廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有石英溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間均大于10s,功耗約為25W左右。本文提出了可視化計(jì)算方法,設(shè)計(jì)了一種適用于載人航天高精度、低功耗和響應(yīng)速度快的溫度監(jiān)測(cè)的數(shù)字式石英溫度傳感器。石英晶片的溫度特性根據(jù)美國(guó)Bechmann教授等人的理論,石英晶體的頻率是隨著溫度的變化而變化。石英溫度傳感器工作機(jī)理是利用石英晶體的振動(dòng)頻率隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的。在-200～200℃溫度范圍內(nèi),石英晶體的頻率-溫度特性可表示為三階多項(xiàng)式:f=f0[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3](1)式中:T0為參考溫度(℃);T為待測(cè)溫度(℃);f為待測(cè)溫度對(duì)應(yīng)的頻率(Hz);f0為某參考溫度下的固有頻率(Hz);α=1f0Τ0(?f?Τ)Τ=Τ0α=1f0T0(?f?T)T=T0為一階頻率-溫度系數(shù)(K-1);β=12f0Τ0(?2f?Τ2)Τ=Τ0β=12f0T0(?2f?T2)T=T0為二階頻率-溫度系數(shù)(K-2);γ=16f0Τ0(?3f?Τ3)Τ=Τ0γ=16f0T0(?3f?T3)T=T0為三階頻率-溫度系數(shù)(K-3)?？紤]了剪切變形與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)壓電懸臂梁彎曲振動(dòng)頻率的影響,結(jié)合振動(dòng)力學(xué)理論分析得到壓電懸臂梁的彎曲振動(dòng)方程,推導(dǎo)出ZYtw(θ/?)雙轉(zhuǎn)角切型音叉式石英晶片的彎曲振動(dòng)固有頻率公式(在某一參考溫度下):f0=λ24π√3ρs′22wl21√1+Νλ212w2l2(1+s′66ks′22)(2)式中:l為石英晶片的長(zhǎng)度(m);w為石英晶片的寬度(m);ρ為石英晶體的密度(kg/m3);sij(i,j=1,2,…,6)為彈性柔順系數(shù)(m2/N);λ為coshλcosλ+1=0的解;Ν=2tanhλtanλ+λ(tanhλ+tanλ)λ(tanhλ-tanλ);k取決于截面形狀的常數(shù)因子。對(duì)石英晶體溫度傳感器的設(shè)計(jì)而言,不僅要滿(mǎn)足通常壓電石英晶體傳感器對(duì)石英晶片的單一振動(dòng)模式和壓電活力的要求,更重要是在此基礎(chǔ)上,要特殊考慮石英晶體的頻率-溫度特性,即需要獲得高的一階頻率-溫度系數(shù)。在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上,由(2)式對(duì)溫度求導(dǎo)可得:α=1f0Τ0(?f?t)Τ=Τ0=Τ(1)w-12Τ(1)ρ-12Τ(1)s′22-2Τ(1)l-12h1+hh′h(3)式中h′h=2Τw-2Τl+11+ks′22s′66(Τs′66-Τs′22);Τ(1)s′22=(ds′22s′22dΤ)Τ=Τ0=1s′22[s11Τ(1)s11cos4?+2s13Τ(1)s13cos2?sin2?+2s14Τ(1)s14cosθsin?cos3?(3-4cos2θ)+S33Τ(1)s33sin4?+s44Τ(1)s44sin2?cos2?];Τ(1)s′66=s11Τ(1)s11[1+cos(2?)]-s12Τ(1)s12[1+cos(2?)]+12s44Τ(1)44(1-cos(2?))+s14Τ(1)s14[sin(2?+3θ)-sin(-2?+3θ)];T(1)siji,j=1,2,…,6為石英晶體一階彈性柔順常數(shù)的溫度系數(shù)(K-1);Τ(1)ρ=(dρρdΤ)Τ=Τ0=-(2a1+a3)=-34.90×10-6(Κ-1);T(1)w=a1=13.71×10-6為寬度方向上的一階線(xiàn)膨脹系數(shù)(K-1);T(1)l=a1sin2(?)+a3cos2(?)為長(zhǎng)度方向上的一階線(xiàn)膨脹系數(shù)(K-1);a1=13.71×10-6為石英晶體在X方向上的一階線(xiàn)膨脹系數(shù)(K-1);a3=7.48×10-6為石英晶體在Z方向上的一階線(xiàn)膨脹系數(shù)(K-1)。由式(3)可得ZYtw(θ/?)石英晶片的一階頻率-溫度系數(shù)α的絕對(duì)值與石英晶體雙轉(zhuǎn)角θ和?的關(guān)系如圖1所示。用作溫度傳感器的石英晶片,其一階頻率-溫度系數(shù)α不能太小;取|α|≥3.5×10-5K-1為石英晶體溫度傳感器的一階頻率-溫度系數(shù)的最小值。在圖1中取|α|=3.5×10-5K-1的平面橫截后向θ、?平面進(jìn)行投影,可得到ZYtw(θ/?)雙轉(zhuǎn)角石英晶片的θ、?的取值范圍,如圖2所示的陰影區(qū)域。同樣的,采用可視化計(jì)算方法可獲得具有單一頻率,高壓電特性良好的頻率-溫度特性的雙轉(zhuǎn)角切型為θ=115°、?=-12°。石英溫度傳感器是由石英晶片、電極、支架和外殼等部分組成的。石英溫度傳感器一般都放在密封的外殼中,以防止在石英晶片的表面沉積固體微粒、水汽及其它有害物質(zhì)。使用外殼能提高溫度傳感器的可靠性,預(yù)防石英晶片的老化。ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器采用冷壓焊密封在小型金屬管殼內(nèi),如圖3所示,外形尺寸為?×8mm。傳感器動(dòng)態(tài)特性音叉式石英溫度傳感器的靜態(tài)特性即石英溫度傳感器的頻率-溫度特性用實(shí)驗(yàn)方法獲得,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)擬合就能得到傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。石英溫度傳感器的特性測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。圖中真空容器保持真空度10-3Torr,系統(tǒng)中的銅塊溫度可控制在-77～500K。音叉式石英溫度傳感器的靜態(tài)頻率-溫度特性如圖5所示。由最小二乘法擬合可得到石英溫度傳感器的頻率-溫度特性為:f(T)=f0(T0)[1+α(T-T0)+β(T-T0)2+γ(T-T0)3]=31530[1-4.0183×10-5(T-25)-7.9290×10-8(T-25)2-5.8329×10-13(T-25)3](4)式中T0=25℃為參考溫度;f(T)為T(mén)溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的傳感器輸出頻率(Hz)。由此可知,ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器的標(biāo)稱(chēng)頻率為31.530kHz,一階頻率-溫度系數(shù)為-4.0183×10-5K-1,二階頻率-溫度系數(shù)為-7.9290×10-8K-2和三階頻率-溫度系數(shù)為-5.8329×10-13K-3。說(shuō)明該傳感器作為高精度溫度測(cè)量是可行的。在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)后續(xù)常規(guī)測(cè)頻電路和軟件倍頻后,石英溫度傳感器在-70～160℃范圍內(nèi)分辨率可達(dá)0.03℃/Hz,功耗僅為2μW。采用階躍響應(yīng)法對(duì)ZYtw(115°/-12°)切型的音叉式石英溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試,結(jié)果如圖6所示。取測(cè)得的傳感器整個(gè)階躍響應(yīng)的63.2%所需時(shí)間為音叉式石英溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間T=4.5s。石英溫度傳感器的無(wú)線(xiàn)傳輸方式的選擇基于壓電懸臂梁彎曲振動(dòng)的微分方程,考慮了剪切變形和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)壓電石英懸臂梁彎曲振動(dòng)的影響,推到出石英晶體懸臂梁的彎曲振動(dòng)頻率公式。并采用可視化設(shè)計(jì)方法對(duì)壓電活力、單一振動(dòng)頻率和一階頻率-溫度系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得了適合載人航天溫度監(jiān)測(cè)要求的石英溫度傳感器熱敏切型。其靜、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果表明該傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠達(dá)到載人航天各項(xiàng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確